復雜環境下城市隧道施工爆破振動影響及降振技術分析

吳純明

（中鐵十一局集團第一工程有限公司，湖北 襄陽 441100）

0 引言

復雜環境下城市隧道施工的常用方法有明挖法、盾構法與鉆爆法等，其中鉆爆法不但能提高隧道施工效率，還能降低施工成本[1]。但在地表建筑物較多、人口密集的市區中，采用鉆爆法進行隧道爆破開挖，由爆破形成的振動效應會影響地表建筑結構的安全性。為此，需要研究復雜環境下城市隧道施工爆破振動影響規律，進而控制爆破災害，達到降振的目的。本文以某城市隧道為研究對象，研究復雜環境下城市隧道施工爆破振動影響及降振技術。

1 工程概況

以某城市隧道為研究對象，該隧道為高速鐵路隧道，單洞雙線，隧道凈寬12.5m，凈高9m，隧道穿越灰巖夾泥質灰巖、白云巖地層，開挖采用鉆爆法施工，隧道為淺埋隧道，最大埋深80m，出口段300m下穿鄢家花園還建房小區，最大埋深40m。該隧道的具體參數見表1。

表1 隧道具體參數

2 城市隧道施工爆破振動影響及降振技術

2.1 復雜環境下城市隧道施工爆破振動影響

2.1.1 對地表建筑結構的振動影響

通過FLAC3D有限差分軟件，分析城市隧道施工爆破對地表建筑結構的振動影響。炸藥與鉆爆參數見表2。

表2 炸藥及鉆爆參數

以出口開挖為例，共設置3個監測點，監測和分析城市隧道施工爆破對地表建筑結構的振動影響，地表建筑結構可承受的最大振動速度為1.2cm/s，分析結果見表3。

表3 爆破施工地表建筑結構各監測點的振速變化情況

根據表4可知，隧道爆破施工過程中，各監測點的地表建筑結構振速變化趨勢基本一致，在X、Y、Z三個方向上，各監測點隨著掌子面里程的提升，均呈先上升后下降的趨勢。在X方向上，當掌子面里程為30m時，3個監測點的振速均達到最大值，分別是0.69cm/s、0.98cm/s、0.41cm/s；在Y方向上，當掌子面里程為40m時，3個監測點的振速均達到最大值，分別是0.72cm/s、1.05cm/s、1.08cm/s；在Z方向上，當掌子面里程為50m時，3個監測點的振速均達到最大值，分別是0.81cm/s、0.82cm/s、0.58cm/s；在X、Y、Z三個方向上，隧道爆破施工過程中，地表建筑結構的最大振速分別為0.98cm/s、1.08cm/s、0.82cm/s，均在地表建筑結構可承受的最大振動速度以內，說明隧道爆破施工不會損壞地表建筑結構。

2.1.2 爆破振動對居民心理承受能力的影響

表4 不同影響程度爆破振動速度的置信區間

該隧道上部建筑結構內居住人群，不僅包含青壯年人群，還包含中老年與兒童。為最大程度地降低隧道爆破施工對附近居民的影響，對隧道爆破施工附近居民進行了爆破振動施工時的人員心理承受能力調查工作[2]。調查過程中，通過考慮調查居民的年齡、性別與職業等因素，全面描繪各種人群構成特征與測試環境對隧道爆破振動反應的差異情況，共設置4種影響程度級別，分別是無影響、輕微影響、可接受影響、不可接受影響。對隧道爆破施工附近居民共發放480份問卷調查，對不同隧道爆破施工振動速度的接受程度進行調查，調查結果如圖1所示。

圖1 居民對不同隧道爆破施工振動速度的接受程度

根據圖1可知，隨著隧道爆破施工振動速度區間的提升，無影響等級的居民數量越來越少，當爆破振動速度區間超過0.6~0.8cm/s時，所有居民均認為隧道爆破施工對居民生活有影響，且爆破振動速度區間越高，不可接受影響等級的居民數量越來越多。

通過t分布曲線對圖1進行統計分析，劃分各影響程度的振速置信區間，見表4所示。按照表4的置信區間，構造隧道爆破施工振動速度控制標準，分析結果見表5。根據表5可知，附近居民覺得爆破振動速度的可接受范圍是0.80~1.10cm/s，為此，在進行隧道爆破施工過程中，考慮爆破施工對居民與地表建筑結構的影響，需將爆破振動速度控制在1.10cm/s以內，才能最大限度降低對居民與地表建筑結構的影響。

表5 隧道爆破施工振動速度控制標準

2.2 城市隧道施工爆破降振技術

復雜環境下城市隧道施工爆破振動強度的影響因素較多，例如爆破器材、炸藥量與炮孔深度等。城市隧道施工爆破降振技術主要有：設計合理的爆破時差，選擇合理的爆破參數，選擇合理的掏槽形式，選擇合理的開挖方式，加強爆破振動監測等。

2.2.1 設計合理的爆破時差

當單段爆破炸藥量一致時，不同爆破方式形成的地表振速相差較小，這就說明僅有炸藥量會影響地表振動速度。在隧道爆破施工中，通過確保每段雷管內包含足夠的起爆時差，便可有效將地表振速控制在標準范圍內，保證爆破振動波形不會出現彼此疊加現象[3]。同時，爆破時差不可過大，否則便會降低爆破效果。通過增加電雷管段數，爆破時差可控制在100~150ms之間。

2.2.2 選擇合理的爆破參數

通過設置合理的爆破參數，能夠提升隧道爆破施工質量。對隧道爆破施工質量影響較多的爆數有：掏槽形式、炮眼數量、單孔炸藥量與炮孔深度等[4]。設置爆破參數時，不僅要考慮城市隧道建設的地質條件與隧道斷面尺寸等因素，還要考慮爆破參數間的相互關系，以及爆破參數對爆破質量的影響。

2.2.3 選擇合理的掏槽形式

線性布置與線性起爆具備較優的啟重作用，為此，選擇線性布置與線性起爆方式，提升炸藥利用率。以不耦合裝藥結構為隧道爆破掏槽眼，這種掏槽眼結構不僅能夠提升爆破效果，還能達到降振目的。

隧道爆破施工過程中，最大振速的位置為掏槽，為此，按照隧道開挖斷面尺寸選擇復式楔形掏槽，能提升隧道施工爆破的降振效果。

2.2.4 選擇合理的開挖方式

選擇合理的開挖方式，可降低單管裝藥量，控制爆破規模。因為城市隧道為淺埋隧道，其上半斷面圍巖軟弱，炸藥量需求較少，所以采用人工開挖方式，上半斷面開挖結束后，為下半斷面爆破形成有利的臨空面，利于提升隧道爆破施工振動的降振效果。當隧道開挖地層較硬時，選擇反臺階法預留光爆層施工方式，在最下層放置掏槽，提升掏槽部位的爆心距。

2.2.5 加強爆破振動監測

隧道爆破施工時，通過計算爆破振動速度V，實時監測隧道爆破施工時的振動情況，將爆破施工振動速度控制在標準范圍內。爆破振動速度V的計算公式如下：

式中：Q——最大單段炸藥量；

R——爆心距；

G——與爆破方式相關的待定系數；

A——與地質條件相關的待定系數。

應用上述降振技術設計該隧道爆破施工的降振爆破參數，其中，爆破段位數量為11段，設計結果見表6。

表6 爆破降振參數設計結果

3 試驗結果分析

應用本文技術設計的爆破參數進行爆破試驗，該隧道爆破施工時的振動速度變化情況分析結果如圖2 所示。根據圖2可知，應用本文技術設計的爆破參數后，該隧道爆破施工過程中，3個方向的振動速度變化趨勢基本一致，X方向的最大振動速度在0.59cm/s；Y方向的最大振動速度在0.82cm/s；Z方向的最大振動速度在0.70cm/s；3個方向上的最大振動速度均未超過1.10cm/s，符合復雜環境下城市隧道施工爆破振動速度的控制標準。對比表4可知，應用本文技術后的最大振動速度明顯低于應用前，說明本文技術可有效實現隧道施工爆破的降振目的。

圖2 應用本文降振技術后的振速波形變化曲線

4 結束語

受工程地質條件影響，部分城市隧道施工需采用爆破施工方式，但爆破施工會影響隧道地表建筑結構的安全性，為此，本文研究復雜環境下城市隧道施工爆破振動影響及降振技術，為提升城市隧道施工爆破降振效果提供技術支撐。試驗結果表明：應用本文技術設計的爆破參數后，該隧道在X、Y、Z三個方向上的最大振動速度分別是0.59cm/s、0.82cm/s、0.70cm/s，均明顯低于應用本文技術前，說明本文技術具備較優的隧道施工爆破降振效果。